Биотехническая система управления концентрацией легких отрицательных аэроионов

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА управления концентрацией легких отрицательных АЭРОИОНОВ

05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Лепихов Павел Владимирович

Москва 2007

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана.

Научный руководитель:к.т.н., доцент Карпухин В.А.

Официальные оппоненты:д.т.н., профессор Парашин В.Б.

к.т.н., в.н.с. Константинов Е.И.

Ведущая организация (предприятие): ФГУ ВНИИИМТ

Защита состоится «__» _________ 2007 г. в __ часов на заседании диссертационного совета Д212.141.14 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана, в зале Ученого Совета по адресу: 1007005 г. Москва, 2-я Бауманская, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана

Автореферат разослан «__ « _________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор ____________ Спиридонов И.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Основными задачами медицины труда, сформулированными в рамках современных международных и национальных концепций охраны и укрепления «здоровья здоровых» людей, являются разработка и совершенствование новых профилактических технологий, призванных обеспечивать гигиеническую безопасность, оказывать корректирующее влияние на функциональное состояние организма работающих и уменьшать негативные медико-социальные последствия психоэмоционального стресса на работе. По данным НИИ нормальной физиологии (Судаков, 2001), до 80% работающих на современных производствах имеют патологические изменения различной выраженности. Согласно проведенным к настоящему времени исследованиям, решение поставленных задач невозможно без учета биологических эффектов одного из важнейших факторов окружающей среды - степени ионизации воздуха, определяемой содержанием аэроионов. Важная биологическая роль прежде всего легких отрицательных аэроионов (ЛОАИ) доказана в работах целого ряда авторов (Васильев, 1953; Krueger, 1968; Чижевский, 1957; Минх, 1963; Sulman, 1980; Fornof et al., 1988; Ливанова и др. 1993; Скипетров, 1995; Watanabe et al., 1997; Terman et al., 1998; Ryushi et al., 1998; Дмитриева и др., 1999; Гольдштейн, 2000, 2002; Nakane et al., 2002; Кондрашова и др., 2000, 2004, 2006 и др.)

Согласно современным концепциям, ЛОАИ оказывают неспецифическое адаптогенное влияние, проявляющееся в повышении устойчивости организма к действию различных эндо- и экзогенных факторов. Адаптогенное действие реализуется на физико-химическом, биохимическом и физиологическом уровнях и индуцируется процессами химического взаимодействия входящих в состав ЛОАИ активных форм кислорода с сенсорными нейрорецепторами кожи и слизистой оболочки носовой полости (Гольдштейн, 2002).

Накопленные данные позволяют утверждать, что эффект, производимый аэроионами на организм, определяется уровнем воздействия, зависящим от концентрации ЛОАИ. Известные методики ЛОАИ-воздествия используют счетные концентрации в диапазоне от 10³ до 10⁶ ион/см³ (Скипетров, 1995, Terman et al., 1998; Nakane et al., 2002; Губернский и др., 2005 и др.) при требуемой точности определения не хуже 40-50%.

Установлено наличие выраженной неоднозначности индивидуального восприятия аэроионного потока и необходимости дифференцированного подхода к назначению параметров ЛОАИ-воздействия (Зайцева, 1996; Кондрашова, 2000; Червинская, 2001). Более того, проведенная оценка мутагенных эффектов ЛОАИ (Губернский, Ингель, 2005) показала потенциальную небезопасность повышенных концентраций ЛОАИ.

Существующая аппаратура для искусственной аэроионизации не обеспечивает реализации функции управления параметрами воздействия, под которой подразумевается не просто насыщение воздуха аэроионами, но и осуществление непрерывного контроля, поддержания, и, возможно, изменения по определенному закону концентрации ЛОАИ. Сложившаяся ситуация сдерживает распространение профилактических технологий, использующих аэроионизацию, т.к. в настоящее время принципиально отсутствует возможность разработки воспроизводимых методик, и делает их применение неэффективным и потенциально небезопасным.

Цель диссертации: разработка методических и технических средств для управления концентрацией легких отрицательных аэроионов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка метода измерения концентрации ЛОАИ при управляемом аэроионном воздействии на биообъект.

2. Разработка первичного измерительного преобразователя концентрации легких отрицательных аэроионов.

3. Разработка и исследование аппаратных и программно-алгоритмических средств измерения концентрации ЛОАИ.

4. Разработка и исследование программно-алгоритмических средств автоматического управления уровнем ионизации воздуха.

5. Проведение медико-биологических исследований управляемого аэроионного воздействия на биологический объект.

Методы исследования

Поставленные задачи решались на основе теории биотехнических систем, высшей математики (уравнений математической физики, численных методов, теории вероятностей и математической статистики), теории автоматического управления, методов электроники и схемотехники.

Научная новизна. В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты.

1. Для определения концентрации ЛОАИ в условиях управляемого аэроионного воздействия впервые использованы оценки комплексной электрической проводимости объема воздуха в зоне измерения.

2. Разработана методика проектирования первичного измерительного преобразователя концентрации ЛОАИ, позволяющая оптимизировать его геометрию по критерию максимальной чувствительности при ограничениях, определяемых заданными значениями соотношения «полезный сигнал/помеха» и составляющих инструментальной погрешности, обусловленных процессами в дрейфовом пространстве измерительной камеры.

3. Разработан помехозащищенный алгоритм измерения концентрации ЛОАИ, обеспечивающий вычисление значений малых переменных ионных токов, переменных токов смещения, индуцированных тестовым сигналом модулирующего напряжения и осуществляющий адаптивное сокращение времени измерения при увеличении концентрации для минимизации погрешности, обусловленной электростатическим рассеиванием.

4. Исследованы динамические характеристики замкнутой биотехнической системы управления концентрацией ЛОАИ, обоснован вид передаточной функции ионизированной воздушной среды и получены количественные оценки ее параметров.

Практическая ценность:

1. Разработан комплекс аппаратных и программно-алгоритмических средств управления уровнем ионизации воздуха для обеспечения гигиенических норм концентрации ЛОАИ (по СанПиН 2.2.4.1294-03) на рабочих местах и повышения работоспособности военных специалистов дежурных смен пуска, работающих в условиях закрытых помещений частей РВСН.

2. Разработанный метод измерения концентрации ЛОАИ, в отличие от традиционных аспирационных счетчиков ЛОАИ, позволяет максимально совместить зоны измерения и воздействия и корректно учесть влияние внешних электрических полей и конвективных потоков, что в 2-3 раза повышает точность измерений в условиях ЛОАИ-воздействия на человека.

3. Реализованный при создании модульный принцип позволяет основные элементы системы (аэроионизатор и измеритель концентрации ЛОАИ) использовать независимо друг от друга, а наличие у каждого устройства открытого аппаратного и программного интерфейса интегрировать их в сложные распределенные системы управления микроклиматом.

4. Результаты диссертации внедрены в НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН, НИЦ «Обитаемости и медико-психологического сопровождения» В/Ч 25840 и учебный процесс факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Положения, выносимые на защиту.

1. При измерении концентрации ЛОАИ в условиях управляемого аэроионного воздействия величины составляющих комплексной электрической проводимости объема воздуха однозначно определяют зависящую от локальных условий движения ЛОАИ взаимосвязь между измеряемыми ионными токами и концентрацией.

2. Методика проектирования первичного измерительного преобразователя позволяет произвести оптимизацию его геометрии по критерию максимальной чувствительности при заданных допустимых значениях соотношения «полезный сигнал/помеха», инструментальной погрешности и уровня электрических полей, действующих на биологический объект.

3. Разработанный адаптивный алгоритм обеспечивает измерение концентрации ЛОАИ в условиях электромагнитных помех при минимизации погрешности, обусловленной электростатическим рассеиванием.

4. Динамическая система «ионизатор - воздушная среда» описывается моделью первого порядка, параметры которой включают коэффициент передачи, постоянную времени и запаздывание и определяются локальными особенностями процессов образования и транспорта ЛОАИ.

Апробация работы проведена на базе НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН, НИЦ «Обитаемости и медико-психологического сопровождения» В/Ч 25840 и научном семинаре факультета БМТ МГТУ им. Н.Э. Баумана, научно-учебного комплекса «Радиоэлектроника, лазерная и медицинская техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Российских научно-технических конференциях «Медико-технические технологии на страже здоровья» (Россия, Геленджик 1999, 2000), 3-й, 4-й, 5-й, 6-й и 7-й научно-технических конференциях «Медико-технические технологии на страже здоровья» МЕДТЕХ-2001, 2002, 2003, 2004, 2005 (Турция-Анталия, 2001, 2002 г., Египет - Шарм Эль Шейх, 2003 г., Греция - Ираклион, 2004 г., Греция - Салоники, 2005 г.), Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2001» (Москва, 2001), 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, 2002), LVIII научной сессии, посвященной дню Радио (Москва, 2003), 5-й международной конференции «Радиоэлектроника в медицине» (Москва, 2003), объединенном научном семинаре факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 174 наименований. Основное содержание работы изложено на 169 страницах, содержит 44 рисунка, 18 таблиц.

содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации.

В первой главе проводится обобщение литературных данных о взаимодействии ЛОАИ с живым организмом и использовании искусственной аэроионизации в современной клинической и гигиенической практике. Рассмотрены основные свойства ЛОАИ и описаны современные представления о механизмах их биологического действия.

Медико-биологические исследования, проведенные в данной области за последние 10 лет, свидетельствуют о наличии таких явлений, как индивидуальная чувствительность (Кондрашова и др., 2000, Червинская, 2001), фазность действия (Зайцева, 1996; Ставровская, 1997) и неоднозначная реакция организма при воздействии концентрациями ЛОАИ, превышающими естественные природные уровни (Ингель, 2005). Соответственно, показано, что на современном этапе возникает необходимость управления параметрами аэроионного воздействия. Анализ показывает, что существующая в настоящее время аппаратура для искусственной аэроионизации не обладает функциональными возможностями для реализации принципа управления. В связи с этим была сформулирована цель данной работы.

Анализ биотехнических аспектов показал, что управляемое аэроионное воздействие характеризуется необходимостью пространственного разделения зоны ионообразования и зоны воздействия с целью минимизации неравномерности распределения ЛОАИ и негативного влияния на биологический объект электрических полей ионизатора и продуцируемых озона и оксидов азота, сочетающейся с невозможностью обеспечения транспорта ЛОАИ по изолированному от внешних воздействий каналу. Соответственно, существенное влияние на уровень аэроионного воздействия на биообъект будет оказывать промежуточное звено биотехнической системы (БТС) - воздушная среда. Данные литературных источников свидетельствуют о наличии сложной зависимости концентрации аэроионов от конфигурации электростатического поля, существующих в помещении конвекционных потоков, времени воздействия ионизатора и ряда других факторов. Именно поэтому необходимо оперативное измерение и управление концентрацией аэроионов непосредственно в зоне воздействия. Технические элементы системы должны обеспечить получение организмом аэроионного воздействия, параметры которого определяются врачом на основании характеристик состояния биообъекта.

Наиболее технически сложной задачей, возникающей при разработке данной БТС, является оперативное измерение концентрации ЛОАИ. Условия измерения при управляемом ЛОАИ-воздействии характеризуются наличием электрических полей и/или конвективных потоков, необходимых для обеспечения транспорта ионов из зоны ионообразования в зону воздействия, и влиянием близко расположенных проводящих и диэлектрических объектов (например, головы и тела человека). Анализ литературных источников показывает, что вопросы измерения концентрации в указанных условиях практически не проработаны. В настоящее время на практике в подавляющем большинстве случаев для определения концентрации аэроионов используется метрологическое обеспечение, основанное на аспирационном методе измерения. Теория аспирационных измерений развивалась на протяжении нескольких десятилетий (Tammet, 1970, 1998; Aplin 2000; Grabarczyk 2001 и др.), метод практически не имеет альтернативы в исследованиях естественного ионного состава воздушной среды. Однако наличие электрических полей сложной конфигурации и конвективных потоков, необходимость использования замкнутой измерительной камеры, приводящая к пространственному разделению зон измерения и биологического объекта, и аспирация, вызывающая аэроионное обеднение в зоне ЛОАИ-воздействия, обуславливают возникновение трудно учитываемых дополнительных погрешностей, значение которых превышает 100%. Известные альтернативные методы определения концентрации основаны на простом измерении ионных токов (Чижевский, 1961; Беспалов, 1998; Недобора, 2001 и др.). Однако из-за исключения из рассмотрения локальных условий движения ЛОАИ в зоне измерения реальные погрешности данных систем позволяют рассматривать их только в качестве индикаторов для качественной оценки работы средств искусственной аэроионизации.

На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке метода измерения концентрации ЛОАИ при управляемом аэроионном воздействии на биообъект.

Предложенный метод определения концентрации ЛОАИ предполагает использование емкостной составляющей электрической проводимости воздушной среды, количественно характеризующей локальные условия движения ЛОАИ в зоне воздействия на биологический объект. С целью учета внешних квазипостоянных полей и конвективных потоков предложено производить измерение приращений ионных токов, определяемых локальным переменным электрическим полем.

При разработке математической модели метода измерения использованы следующие допущения:

1. За время цикла измерения не происходит существенных изменений внешнего электрического поля, конвективных потоков и концентрации ЛОАИ.

2. Ионизация воздуха отрицательная, каждый легкий аэроион имеет один элементарный заряд.

3. Тяжелые аэроионы, образующиеся вследствие зарядки взвешенной в воздухе пыли, вносят пренебрежимо малый вклад в формирование суммарного потока заряженных частиц.

4. Влияние объемного заряда ионов пренебрежимо мало.

5. Значение средней подвижности ЛОАИ полностью определяется температурой, влажностью воздуха и атмосферным давлением, зависимость аппроксимируется дробно-линейной функцией.

При указанных допущениях полная плотность тока в воздушной среде при наличии аэроионов и переменного электрического поля равна

где - заряд электрона; - переменная составляющая поля, формируемая для измерения приращений ионных токов; - постоянная составляющая поля, обусловленная внешним полем ионизирующей системы; - средняя подвижность аэроионов; - концентрация аэроионов; - скорость конвективного перемещения воздуха; D - коэффициент диффузии аэроионов; - электрическая постоянная.

При помещении в ионизированную воздушную среду измерительного электрода через его поверхность протекает полный ток

где - составляющая, определяемая ионным током проводимости; - измерительная емкость; - измерительное (модулирующее) напряжение; - составляющая тока, не изменяющаяся в процессе измерения (определяется полем ионизирующей системы, конвективными потоками и диффузией).

Оценки комплексной электрической проводимости можно получить на основании измерения приращений полного тока через измерительный электрод :

Мнимая составляющая проводимости целиком определяется измерительной емкостью , которая, в свою очередь, зависит от взаимного расположения и конфигурации проводящих и диэлектрических объектов в зоне измерения. Т.к. действительная составляющая проводимости зависит как от концентрации , так и от (4), то определение позволяет выразить значение концентрации ЛОАИ через измеряемые ионные токи.

Из (4) концентрация ЛОАИ определяется как

В главе произведен анализ возможных причин возникновения погрешностей измерения концентрации ЛОАИ. Установлено, что теоретически достижимая точность измерения концентрации ЛОАИ при униполярной ионизации ограничивается влиянием тяжелых отрицательных аэроионов на суммарную проводимость воздуха и нестабильностью средней подвижности ЛОАИ. При этом, обобщая данные литературных источников, можно заключить, что вклад тяжелых отрицательных аэроионов в электропроводность воздуха не превышает 3-5%. С использованием общепринятой дробно-линейной аппроксимации зависимости средней подвижности ЛОАИ от физических свойств воздуха (Tammet, 1998) установлено, что максимальные изменения, обусловленные отклонением от нормальных условий, достигают 7% для изменения температуры и давления и 9% для изменения относительной влажности. На основании этого показана целесообразность коррекции результатов измерения с учетом реальных свойств воздуха.

Третья глава посвящена разработке первичного измерительного преобразователя концентрации ЛОАИ.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП), реализующий метод определения концентрации ЛОАИ, представляет собой электродную систему, основу которой составляют два элемента: модулятор и измерительный электрод. На основании проведенных исследований разработана методика проектирования ПИП. Основной задачей, решаемой при проектировании, является обеспечение максимизации точности измерения и чувствительности, пропорциональной измерительной емкости, при ограничении уровня электрических полей, действующих на биологический объект при измерении.

Разработана и исследована математическая модель электростатического поля, возникающего в дрейфовом пространстве ПИП. Уравнение Пуассона для трехмерного случая решалось численно с использованием сочетания метода конечных разностей с итерационным методом релаксаций (Федоренко, 1994; Поршнев, 2001). Верификация результатов вычислительного эксперимента осуществлялась путем сравнения с результатами моделирования в среде CST EM STUDIO™ , допустимыми считались отличия, не превышающие 5 %.

Из-за наличия сложно зависимого и конкурирующего влияния на чувствительность и точность измерений конфигурации измерительного преобразователя выделена и решена задача определения оптимальных значений геометрических параметров ПИП. Критерием оптимальности является достижение максимального значения измерительной емкости. Выделены источники ограничений на оптимизируемые параметры (табл. 1). Основными являются условия минимизации уровня электрических полей, действующих на биологический объект, максимизации соотношения «полезный сигнал/помеха» при допустимых значениях инструментальной погрешности.

Задача оптимизации решалась итерационным методом последовательной безусловной минимизации (методом барьерных функций). Для безусловной оптимизации применен прямой метод минимизации по правильному симплексу (Лесин, 1995). Установлены закономерности, связывающие максимальную измерительную емкость с заданными ограничениями и наборы соответствующих им оптимальных параметров ПИП. Примеры решений для ПИП с прямоугольным измерительным электродом представлены на рис. 1.

Проведенные исследования показали, что оптимизационная процедура позволяет ограничить величину суммарной относительной погрешности, определяемой процессами в ПИП, в пределах 5-10%. При этом максимальный вклад вносят процессы ионного обеднения и несоответствие поверхностей интегрирования токов смещения и проводимости.

Таблица 1. Классификация источников ограничений на оптимизируемые параметры ПИП

При моделировании электрического поля, формируемого ПИП и расположенными на конечном расстоянии от него изолированными проводящими и диэлектрическими внешними объектами, выявлено, что они существенно (на десятки процентов) изменяют величину измерительной емкости. На основании проведенных исследований доказана необходимость измерения комплексной электрической проводимости воздуха, т.к. измерительная емкость, а, следовательно, и чувствительность, однозначно не определяется конфигурацией ПИП и априорно неизвестна.

Оценка характерных времен осаждения заряда на изолированную поверхность показывает, что при концентрациях ЛОАИ порядка 10⁶ ион/см³ длительность этих процессов может быть сравнима с периодом измерения. На основании решения уравнения Пуассона для предельного случая полной перезарядки внешней незаземленной поверхности при максимальном (на 500 В) изменении модулирующего напряжения были оценены величины дополнительных погрешностей, вносимых этими поверхностями, достигающие 8-10 %. Соответственно, сформулированы требования к минимальным расстояниям между ПИП и другими элементами конструкции системы измерения.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию аппаратных и программно-алгоритмических средств контроля и автоматического управления уровнем ионизации воздуха.

В главе описаны структурные схемы основных технических элементов БТС управления концентрацией ЛОАИ: ионизатора и системы измерения концентрации ЛОАИ, разработанные на основании сформулированных требований к БТС и в соответствии с предложенным методом измерения.

Проведенные исследования показали, что в общем случае при реализации метода измерения значения ионных токов могут быть значительно меньше токов смещения, формируемых для получения оценок емкостной составляющей проводимости воздушной среды. Поэтому на практике для уменьшения погрешности необходимо использовать два режима измерений: постоянного и переменного измерительных напряжений. В первом режиме обеспечивается стабильность измерительной разности потенциалов достаточная для измерения сигналов ионного тока с заданной точностью. При дополнительном использовании метода наименьших квадратов (МНК) и фильтрации для повышения точности измерений малых сигналов средняя концентрация ЛОАИ определяется как

где - сигналы, измеренные в режиме постоянного () и переменного напряжений (); - число комбинаций измерений ионных токов и напряжений в режиме постоянного напряжения; ,- операторы фильтрации для выделения средних значений сигналов тока и напряжения в режиме постоянного напряжения, обработки переменных сигналов и вычисления производной по времени в режиме переменного напряжения, соответственно.

Разработана состоящая из четырех фаз процедура измерения концентрации ЛОАИ. На первой фазе производится формирование разности напряжения между измерительным электродом и модулятором. На второй и четвертой фазах для двух фиксированных значений измерительного напряжения получаются выборки значений сигналов ионного тока. На основании анализа динамического диапазона измеряемых токов ионной проводимости выявлено влияние стабильности модулирующего напряжения на фазах II и IV на точность измерений. Установлено, что для обеспечения требуемой точности постоянная времени изменения напряжения для фаз II и IV должна быть не менее 2000 с. Фазы II и IV предваряются периодами релаксации, определяемыми конечным временем реакции блоков аналоговой обработки сигналов ионного тока на изменяющееся модулирующее напряжение. Для использованных аппаратных решений период релаксации составил 50 мс. На третьей фазе осуществляется измерение токов в режиме переменного модулирующего напряжения. В главе приводится обоснование выбора формы сигнала модулирующего напряжения в виде экспоненты с постоянной времени, равной 18 мс, и параметров цифрового алгоритма вычисления его производной, реализованного в виде цифрового дифференцирующего фильтра 10-го порядка с весовой функцией Хемминга.

Процессы электростатического рассеивания приводят к увеличению временной нестабильности концентрации ЛОАИ с ростом ее абсолютного значения. Соответственно предложен и реализован адаптивный алгоритм уменьшения времени измерения, определяемого размерностью выборок МНК-оценок значений малых сигналов ионного тока, с ростом концентрации ЛОАИ (рис. 2).

В главе описаны система измерения концентрации ЛОАИ, рассчитанная и собранная согласно предложенным методике проектирования ПИП, структурной схеме и алгоритмам, а также разработанное программное обеспечение. По характеристикам системы получена теоретическая оценка максимальной относительной погрешности измерения, составившая 30 % для пределов измерения от 10⁴ до 10⁶ ион/см³ и 50 % для пределов измерения от 10³ до 10⁴ ион/см³ и свыше 10⁶ ион/см³. При этом время измерения не превышает 0,5 с.

Сравнительный анализ определения концентрации ЛОАИ на основе предложенного метода при одновременной работе с образцовым счетчиком ЛОАИ «МАС-1» показал высокую согласованность результатов измерений.

В главе описан стенд, моделирующий замкнутый контур управления уровнем искусственной ионизации воздуха в БТС управления концентрацией ЛОАИ и состоящий из разработанных ионизатора и системы измерения концентрации ЛОАИ, подключенных через последовательный интерфейс RS-485 к компьютеру. В качестве коронирующего электрода во всех экспериментах использовалась медная игла с длиной 40 мм, диаметром цилиндрической части 3 мм и радиусом закругления острия 0.1 мм.

На основании проведенных экспериментов показано, что характерные для рассматриваемой БТС случайные изменения конвективных потоков и условий формирования электростатического поля могут вызвать значительные (до сотен %) изменения в уровне ионизации воздуха. Таким образом, показана необходимость реализации алгоритмов непрерывного регулирования с целью поддержания требуемой концентрации ЛОАИ. Для решения задачи синтеза алгоритма регулирования в главе рассмотрена модель одномерной динамической системы «ионизатор-воздушная среда», формализующая локальные особенности процессов образования и транспорта ионов. Выходной переменной системы является концентрация ЛОАИ в зоне воздействия. В главе приводится обоснование использования в качестве сигнала управления (входная переменная системы ) напряжения ионизации.

С учетом потенциальной нестационарности системы для параметрической идентификации рассматриваемой модели в реальном времени использован рекуррентный метод наименьших квадратов (РМНК) (Неймарк и др., 2002; Граничин, 2003) при изменении по псевдослучайному дискретному закону. Структурная идентификация осуществлялась с помощью квадратичного критерия (методом функций потерь). Результаты определения функции потерь показали нецелесообразность увеличения порядка модели. Поэтому для описания системы была принята модель 1-го порядка, характеризуемая коэффициентом передачи , постоянной времени и запаздыванием :

где - оператор Лапласа, - непрерывное преобразование Лапласа, -передаточная функция.

Таким образом, для ионизированной воздушной среды, являющейся элементом БТС управления концентрацией ЛОАИ, в работе впервые введена и исследована передаточная функция, количественно характеризующая взаимосвязь между напряжением ионизации и концентрацией ЛОАИ в зоне воздействия на биообъект. Примеры экспериментально определенных параметров передаточной функции приведены на рис. 3. В главе дан анализ физических процессов, определяющих значения параметров и характер представленных на рис. 3 зависимостей.

На основании проведенных исследований разработан полный алгоритм поддержания требуемого уровня ионизации воздуха. Алгоритм включает в себя процедуры поиска рабочей точки, идентификации параметров модели системы «ионизатор-воздушная среда», автоматический синтез настроек ПИ-регулятора и непосредственно управление концентрацией ЛОАИ в полученной замкнутой системе. Показана эффективность предложенного алгоритма при задаваемых концентрациях ЛОАИ от 10³ до 10⁶ ион/см³ и случайных внешних воздействиях в виде изменения конвективных потоков и условий формирования электростатического поля.

В пятой главе описаны результаты апробации разработанной БТС, осуществленной совместно с НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН и НИЦ «Обитаемости и медико-психологического сопровождения» В/Ч 25840.

Требования к характеристикам технических средств определялись спецификой проводимых экспериментов, а именно, необходимостью осуществления ЛОАИ-воздействия на два разных вида биообъектов: группы малых организмов (мушки Drosophila melanogaster) и человека.

Аэроионное воздействие на группы исследуемых мушек проводилось в специально сконструированной экспозиционной камере. Геометрические параметры камеры и помещенного в нее ПИП были получены с помощью разработанной методики проектирования ПИП с учетом влияния заряда, взвешенного в воздухе и осажденного на стенки камеры. Изучалась мутагенная активность (стандартный тест на индукцию доминантных летальных мутаций по Мендельсон, 1993) ионизации воздуха в диапазоне концентраций от 5·10⁴ до 10⁶ ион/см³ при стандартной длительности экспозиции 72 часа. В результате экспериментов факт индукции ЛОАИ доминантных летальных мутаций не выявлен и подтверждено негативное влияние деионизованного воздуха, проявившееся в эксперименте в повышении уровня ранних эмбриональных леталей (РЭЛ). В то же время, для исследованного диапазона уровней аэроионизации установлена прямая зависимость между уровнем ЛОАИ воздействия и фертильностью Drosophila melanogaster. легкий отрицательный аэроион биообъект

При воздействии на человека оценка стабильности уровня ионизации воздуха в зоне воздействия подтвердила эффективность разработанных алгоритмов автоматического регулирования концентрации ЛОАИ. Так в экспериментах получено, что включение алгоритмов регулирования приводит к снижению СКО концентрации ЛОАИ в 4,7 раза, а вариационного размаха в 5,9 раз (рис. 4). Таким образом, показано, что использование в медико-биологических исследованиях разработанных технических средств позволяет значительно повысить воспроизводимость экспериментов.

Основные выводы и результаты

1. На основании анализа современного состояния проблемы показана актуальность и практическая значимость разработки биотехнической системы управления концентрацией ЛОАИ. Установлена необходимость оперативного контроля и управления уровнем искусственной ионизации воздуха для обеспечения безопасности и повышения эффективности воздействия.

2. Для обеспечения оперативного контроля уровня аэроионного воздействия предложен метод измерения концентрации ЛОАИ, который позволяет учесть влияние локальных условий движения ЛОАИ в зоне измерения, поля ионизатора, а также процессов конвекции и диффузии. Разработаны теоретические основы метода и выявлены основные группы источников погрешности измерения.

3. Разработана методика проектирования первичного измерительного преобразователя концентрации ЛОАИ, позволяющая оптимизировать геометрию по критерию максимальной чувствительности. Выявлены основные группы ограничений, определяющих пределы изменений геометрических параметров ПИП. На основании решения оптимизационной задачи установлены соотношения, связывающие ограничения с достижимыми значениями чувствительности и соответствующими им оптимальными значениями параметров ПИП.

4. Предложено, реализовано и исследовано аппаратное и программно-алгоритмическое обеспечение технических элементов БТС. Разработана четырех фазная процедура измерения концентрации ЛОАИ. Полученное максимальное значение относительной погрешности измерения составило 30 % для пределов измерения от 10⁴ до 10⁶ ион/см³ и 50 % для пределов измерения от 10³ до 10⁴ ион/см³ и свыше 10⁶ ион/см³. При этом время измерения не превышает 0,5 сек.

5. Разработан алгоритм поддержания требуемого уровня ионизации воздуха. Алгоритм включает в себя процедуры поиска рабочей точки, идентификации параметров передаточной функции ионизированной воздушной среды, синтез настроек ПИ-регулятора и непосредственно управление концентрацией ЛОАИ в полученной замкнутой системе. Показана эффективность предложенного алгоритма при задаваемых концентрациях ЛОАИ от 10³ до 10⁶ ион/см³ и случайных внешних воздействиях в виде изменения конвективных потоков и условий формирования электростатического поля.

6. Разработанные аппаратные и программно-алгоритмические средства были апробированы при создании экспозиционных камер, предназначенных для исследования генотоксического действия аэроионов в тесте на индукцию доминантных летальных мутаций в половых клетках Drosophila melanogaster. Проведенные медико-биологические исследования показали отсутствие негативных эффектов аэроионизации воздуха в широком интервале уровней воздействия ЛОАИ (от 5·10⁴ до 10⁶ ион/см³ в течение 72 часов). Кроме того, для исследованного интервала установлена прямая зависимость между уровнем ионизации воздуха и фертильностью Drosophila melanogaster.

7. Установлено, что при ЛОАИ-воздействии на человека включение алгоритмов автоматического регулирования концентрации ЛОАИ приводит к значительному увеличению стабильности уровня ионизации воздуха во время сеанса. Экспериментально полученное сокращение СКО и вариационного размаха концентрации ЛОАИ для 20-минутных сеансов достигало 4,7 и 5,9 раз, соответственно. Таким образом, использование разработанной системы позволит существенно повысить воспроизводимость методик ЛОАИ-воздействия.

Основные публикации по теме диссертации (в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ)

1. Компьютерная система измерения концентрации аэроионов в сильных электрических полях / В.А. Карпухин, О.А. Недобора, М.Е. Гутнер, П.В. Лепихов // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2000. - №9. - С.21-32.

2. Карпухин В.А., Лепихов П.В. Дифференциальный метод и аппаратура для измерения концентрации аэроионов // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2002.- №10-11. - С. 38-46.

3. Исследование мутагенных эффектов ионизированного воздуха / А.С. Гуськов, Ф.И. Ингель, П.В. Лепихов и др. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. -2005.- №11 - 12. - С.45-51.

4. Разработка аппаратуры для управляемого аэроионного воздействия / В.А. Карпухин, П.В. Лепихов, Ю.Д. Губернский и др. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. -2006.- №1 - 2. - С.60-67.

Размещено на Allbest.ru